Mg含量对Al_20Si合金显微组织及力学性能的影响_王松海

DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2011.18.023

下半月出版Material&HeatTreatment材料热处理技术

Mg含量对Al-20Si合金显微组织及

力学性能的影响

王松海1,黄晓锋2,冯凯2

(1.中航工业集团兰州飞行控制有限责任公司,甘肃兰州730070;2.甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验

室,甘肃兰州730050)

摘

要：通过光学显微镜、力学万能试验机、X射线衍射仪和扫描电镜分析了Mg含量对Al-20Si铝合金显微组织

和力学性能的影响。结果表明：合金中主要有α-Al、共晶硅、初生硅和Mg2Si等相存在，随着Mg含量的增加初生硅数量逐渐减少，并且变得细小；抗拉强度逐渐增加，而伸长率呈先下降后上升的趋势，硬度与伸长率的变化趋势相反。

关键词：Mg；Al-20Si合金；显微组织；力学性能中图分类号：TG146.2+1

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2011)18-0033-03

EffectofMgContentonMicrostructureandMechanical

PropertiesofAl-20SiAlloy

WANGSonghai1,HUANGXiaofeng2,FENGKai2

(1.LanzhouFlightControlLimitedLiabilityCompany,ChinaAviationIndustryGroup,Lanzhou730070,China;2.StateKeyLaboratoryofGansuAdvancedNon-ferrousMetalMaterials,Lanzhou730050,China)

Abstract：ThemicrostructureandmechanicalpropertiesofAl-20Sialloyswereinvestigatedbyopticalmicroscope(OM),mechanicalapparatus,X-Raydiffraction(XRD)andscanningelectronmicroscope(SEM).Theresultsindicatethatthemicrostructureofthealloymainlycontainsα-Al,eutecticsilicon,primarysiliconandMg2Si.WiththeincreaseofMgcontent,theprimarysilicongraduallydecreasesandrefines;thetensilestrengthgraduallyincreases;theelongationincreasesinitiallyandthendecreases,whilethehardnesshasthecontrarytrendoftheelongation.

Keywords：Mg;Al-20Sialloy;microstructure;mechanicalproperties

过共晶A1-Si合金具有密度小、热膨胀系数小、耐磨性能好、强度高、铸造成形性好、焊接性好和机械加工性能优良等一系列优点，被广泛应用到航空、航天、汽车及其他运载机械上[1-5]，但目前国内外研制开发的过共晶铝硅合金的力学性能,在比强度和伸长率等方面尚不能与高强铸钢相匹敌,难以满足当前及今后汽车、飞机等运载机械零部件工业的发展要求，这主要是由于初生硅和共晶硅的尺寸较大，形貌复杂，严重影响过共晶铝合金的力学性能。因此，人们正从优化合金成分、净化处理、细化变质处理及热处理等方面对铸造铝硅合金进行研究，以期提高力学性能[5-10]。合金化是提高过共晶铝合金的一种重要手段，其中Mg元素可以改善过共晶铝合金中初生硅的形貌和尺寸[11-12]，本实验试图通过添加Mg元

素来减少和细化初生硅，从而提高Mg-20Si合金的力学性能，研究了Mg元素在Mg-20Si合金中的作用，以及Mg含量对其显微组织及力学性能的影响。

1实验材料及方法

本实验共制备4种成分的合金，合金成分如表1

所示。原料采用工业纯铝、Al-30Si中间合金、纯镁。采用7.5kW井式电阻熔炼炉在铸铁坩埚中熔炼合金，在730℃精炼后缓慢降温，于710℃下静止

1～2min后在金属型模具中浇铸，在铸锭同一位置

取样进一步加工，测量其力学性能、硬度并观察显微组织。拉伸试样的取样部位和尺寸如图1所示。

表1合金名义成分(质量分数，%)

Tab.1Thecompositionofexperimentalloys(wt,%)

合金

Si20202020

Mg00.30.91.5

Al余量余量余量余量

Al-20Si

收稿日期:2010-12-28

作者简介:王松海(1970-),男,山东高密人,高工,主要研究方向为材料

加工工艺;电话:0931-7662918;Email:gslzwsh@http://wendang.chazidian.com

Al-20Si-0.3MgAl-20Si-0.9MgAl-20Si-1.5Mg

材料热处理技术Material&HeatTreatment

2011年9月

描范围为20°～100°，速度为5°/min)进行物相分析。

2

实验结果与分析

图2为添加了不同含量的镁元素后铸态下的显

2.1显微组织分析

微组织照片。从图2(a)可看出，没有加Mg时，合金中主要有粗大的α-Al和共晶硅以及粗大的初生硅。添加Mg元素后合金的组织得到了明显的细化，从图2(b)、(c)、(d)可看出，随着Mg含量的增加，合金中初生硅的数量逐步减少，Mg含量为1.5%时几乎看不到初生硅的存在。从Mg-20Si-1.5Mg的XRD

Fig.1Thesizeoftensilesample

采用MTS810拉力试验机进行拉伸试验，测定合金的抗拉强度和伸长率，拉伸速率为1mm/min，拉伸试样三个为一组，结果取其平均值。拉伸后的试样用JSM-6700扫描电镜观察其断口形貌。硬度试样在万能硬度机上测定合金的布氏硬度。金相试样在金相抛光机上抛光，经0.5%HF溶液腐蚀，最后在金相显微镜上观察合金的显微组织。显微组织中的元素组成通过扫描电镜自带的EDS分析测定，采用

(图3)和EDS分析(图4)以及(表2)结果中也可看出，

合金中主要有黑色的汉字状形态Mg2Si相(图4中A点)和针状的共晶硅(图4中B点)。该合金得到明显的细化主要是由于镁元素加入后，在凝固过程中分

(c)Al-20Si-0.9Mg

(d)Al-20Si-1.5Mg

RigakuD/max-2400型X射线衍射分析仪(Cu靶，扫

(a)Al-20Si

(b)Al-20Si-0.3Mg

100μm100μm100μm100μm

图2Al-20Si-xMg合金显微组织照片

Fig.2ThemicrostructureofAl-20Si-xMgalloy

Al3.21Si0.47AlMg2SiSi

表2EDS分析结果

Tab.2EDSanalysisresultsinFig.4

点

CPS→

Al(at%)62.7286.5197.91

Si(at%)11.9512.811.11

Mg(at%)25.330.690.99

ABC

20

40

602θ/(°)

80

100

布在固液界面前沿，抑制了初生硅的生长，从而改变了初生硅的尺寸和形貌，使得初晶硅细化，在固液界面前沿形成的Mg2Si相导致溶质的再分配与偏析，使得界面处的过冷区增大，从而加快了形核率，使得枝晶间距减小，晶粒得到了细化；而且合金中添加

图3Al-20Si-1.5Mg合金的X衍射结果

Fig.3XRDpatternofAl-20Si-1.5Mgalloy

A

Mg元素后，Mg与Si生成了Mg2Si相，从而消耗了

合金中的Si，使得显微组织中的初生硅与共晶硅的

C

20μm

B

数量都显著减少。

2.2力学性能分析

从图5可看出，随着Mg含量的增加，合金的抗拉强度逐渐升高。未加Mg的抗拉强度为128MPa，

图4Al-20Si-1.5Mg合金的扫描照片

Fig.4SEMphotoofAl-20Si-1.5Mgalloy

1098765432

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160抗拉强度/MPa

Si表现的是脆性相，随着Mg含量的增加，合金中

的初生硅和共晶硅的尺寸减小，并且棱角钝化，合金

伸长率(%)

150140130

伸长率

的变形由大量硅存在时的脆性变形逐渐转变为

α-Al的塑性变形，所以合金的伸长率最后是逐渐增

加的。

从图6可看出，硬度的变化规律与伸长率的相反，在0.3%Mg时最高，随着Mg含量的增加，合金的硬度有小幅度的降低，但是仍然高于未加Mg的基体合金。这是由于Mg元素添加之后消耗掉了部分硅原子，而硅原子作为硬脆相是合金硬度的主要来源，所以导致合金硬度降低。

8075硬度（HB）

抗拉强度

120

0.0

0.60.91.21.5Mg元素含量(%)

图5Al-20Si-xMg合金拉伸结果

0.3

Fig.5ThetensileresultsofAl-20Si-xMgalloy

加入1.5%Mg后增加到162MPa，提高了26.52%。合金的伸长率也得到了明显的提高，随Mg含量的增加，呈先下降后上升的趋势。

合金的抗拉强度升高主要是由于镁元素固溶到

α-Al基体中，引起了晶格畸变，在拉伸过程中固溶

原子可以起到阻碍位错迁移钉扎位错的作用，从而提高合金的抗拉强度；合金中添加镁元素后生成了

7065605550

0.0

0.30.60.91.2

元素含量Mg(%)

图6Al-20Si-xMg合金硬度

1.5

Mg2Si相消耗掉部分硅原子，合金中的初生硅和共

晶硅相的数量都明显减少，组织中容易产生裂纹源的尖角也随之减少，降低了产生应力集中的可能性，同时在组织中均匀分布的初晶相作为脆性相，由于晶粒变细小也可以起到细晶强化的作用，从而提高了合金的力学性能。合金的伸长率最后随着

Fig.6ThehardnessofAl-20Si-xMgalloy

2.3拉伸断口分析

图7是Al-20Si-xMg合金拉伸断口形貌。可以看出，随着Mg含量的增加，合金的断口形貌发生

(c)Al-20Si-0.9Mg

(d)Al-20Si-1.5Mg

Mg含量的增加而增加，主要是由于在拉伸过程中

(a)Al-20Si

(b)Al-20Si-0.3Mg

图7Al-20Si-xMg合金拉伸断口形貌

Fig.7ThemicrographsoffractureofAl-20Si-xMgalloy

明显变化。没加Mg元素的拉伸断口主要表现为解理断裂的特征，有较大的解理面是沿着初生硅的棱角处断裂的；加入Mg后，合金的断裂方式由解理断裂逐渐转变为混合断裂，合金的解理面逐渐变小，并且有大量的韧窝产生。这主要是由于初生硅和共晶硅的数量和尺寸减小，合金中的脆性相减少而引起的，这与合金的拉伸性能和显微组织的变化是对应的。

3结论

(1)在Al-20Si合金中加入Mg元素后，初生硅

和共晶硅得到了明显的细化，随着Mg含量的增加，细化的效果越好，当Mg含量达到1.5%时，几乎看不到初生硅。

(2)随着Mg含量的增加，合金的抗拉强度逐

渐升高，加入1.5%Mg后增加到(下转第39页)

定性以及耐腐蚀性能。

[8]

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．

(3)异质结构Zr基块体非晶合金耐腐蚀性差

的原因可能是由于微观结构的不均匀使其具有更多的界面引起的。参考文献:

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(上接第35页)162MPa，提高了26.52%，合金的伸长

率也得到了明显的改善，呈先下降后上升的趋势，硬度的变化规律与伸长率的相反。参考文献:

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